Numerische Simulation des Tragverhaltens von formschlüssigen Verbindungen im Ingenieurholzbau
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden auf dem Prinzip des Formschlusses basierende Holzverbindungen untersucht. Zu den untersuchten Anschlussarten gehörten Versatzanschlüsse und sogenannte Schwalbenschwanzzapfenverbindungen. Dafür wurden sowohl eigene experimentelle Untersuchungen als auch computergestützte Simulationen mit der Finiten-Elemente-Methode durchgeführt. Durch die Verwendung eines speziellen photogrammetrischen Messverfahrens, welches das berührungslose Messen von Dehnungsfeldern ermöglicht, konnten erstmalig die komplexen mehraxialen Dehnungszustände die bei derartigen Verbindungen unter Belastung auftreten gemessen werden. Das bedeutet einen entscheidenden Fortschritt für das Verständnis des Tragverhaltens gegenüber der konventionellen ausschließlich taktilen Messung mit induktiven Wegaufnehmern bzw. einer lokal begrenzten Messung von Dehnungen mit Dehnmessstreifen. Außerdem wird erst damit eine ausreichende Grundlage für eine Verifikation der für computergestützte Simulationen verwendeten Modelle geschaffen. Auf Grundlage dieser eigenen und der Literatur entnommenen experimentellen Untersuchungen wurden Computermodelle erstellt und begonnen diese durch die Versuchsergebnisse zu kalibriert und zu verifizieren. Dafür wurde untersucht, welche Modellierungsstrategien und Materialmodelle für das jeweilige Problem anwendbar und notwendig sind. Dabei konnte auch auf die im Vorgängerprojekt entwickelten bzw. in die verwendete Berechnungssoftware implementierten komplexen dreidimensionale Materialmodelle zurückgegriffen werden. Besonders bei der Modellierung der Schwalbenschwanzzapfenverbindungen stellte sich die Verwendung dieser Materialmodelle als notwendig heraus, da sich die in der Software standardmäßig implementierten Materialmodelle für dreidimensionale Modellierungen von Holz nicht oder nur eingeschränkt anwendenden lassen. Dadurch konnte ein Fortschritt bei der Simulation derartiger Verbindungen gegenüber den bisher publizierten Simulationen erreicht werden. Durch die Kombination aus Experiment und Simulation in Verbindung mit Parameterstudien konnten neue Erkenntnisse über das Trag- und Versagensverhalten der untersuchten Anschlusssituationen gewonnen werden. Aufgrund der Komplexität der photogrammetrischen Versuchsauswertung und der verwendeten Modelle mit ihren zahlreichen sich gegenseitig beeinflussenden Modellparametern kann die Kalibrierung und die Verifikation der Computermodelle noch nicht als abgeschlossen bezeichnet werden. Eine abschließende Bewertung der Anschlüsse und die Entwicklung allgemeingültiger und praxisgerechter Bemessungsverfahren konnte deshalb noch nicht erfolgen. An dieser Stelle konnte ein wesentliches Antragsziel nicht erreicht werden, so dass hier nur auf die notwendige Fortsetzung des bisher beschrittenen zukunftsträchtigen Weges im Zuge eines neuen noch zu beantragen Forschungsvorhabens hingewiesen werden kann. Die Kalibrierung und Verifikation der Computermodelle sollte weitergeführt werden. Dazu können die bisher noch nicht komplett ausgewerteten photogrammetrischen Messdaten dienen. Es hat sich auch herausgestellt, dass photogrammetrische Messungen an Versätzen mit realen Abmessungen wünschenswert wären, da die im Rahmen dieses Forschungsprojektes gewonnenen Ergebnisse an kleinformatigen Versatzproben nicht direkt skalierbar sind. Es scheint an dieser Stelle einen Größeneffekt zu geben. In Zukunft sollten ebenfalls die vorhandenen Streuungen bei den jeweiligen Materialparameter bei der Simulation weitaus stärker berücksichtigt werden. So könnte das Tragverhalten statistisch abgesichert werden, ohne die sonst notwendige hohe Anzahl an Versuchen. Was bisher auch noch nicht untersucht wurde ist das Langzeittragverhalten. Neben Kriecheffekten ist besonders bei den Schwalbenschwanzzapfenverbindungen das Schwinden und Quellen von Bedeutung. Infolge Schwinden (Volumenverringerung infolge der Abnahme der Holzfeuchte) werden sich dort Spannungsumlagerungen einstellen die zu kritischen Zuständen führen könnten. Dieser Punkt bedarf auch in Hinblick auf die Einschätzung der Sicherheit von Bestandbauwerken einer dringenden Überprüfung.
